大跨度空间结构健康监测.

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1、大跨度空间结构的健康监测,小组成员：高康杰 张艺枫 金哲宇 武璇 李星仪 彭康佑 高 铭 周江南 苏蓉 李安鑫,目录 Contents,01 人员分工安排,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,03 大跨度空间结构 健康监测从设计 到数据分析的过 程与实例展示,04 现主流监测系统 介绍及发展过程 介绍与未来展望,01 人员分工安排,目录 Contents,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,武璇 高康杰：大跨度空间结构的主要形式及特点,金哲宇 李安鑫：结构健康监测介绍、用途及适用范围,高铭 彭康佑：大跨度空间结构健康监测从设计到数据分析的过程及实例,周江南 张艺枫：大跨度空间结构健康监测系

2、统介绍,主讲：李安鑫,苏蓉 李星仪：结构健康监测技术的现状和未来发展方向,主讲：彭康佑,主讲：苏蓉,PPT制作：李安鑫 苏蓉,03 大跨度空间结构 健康监测从设计 到数据分析的过 程与实例展示,04 现主流监测系统 介绍及发展过程 介绍与未来展望,目录 Contents,01 人员分工安排,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,03 大跨度空间结构 健康监测从设计 到数据分析的过 程与实例展示,04 现主流监测系统 介绍及发展过程 介绍与未来展望,大跨度空间结构的主要形式及特点,大跨度空间结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志。其结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构

3、、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。,结构健康监测介绍、用途及适用范围,当大型结构发生突发性损伤时，如果能够及时做出判断和警报，采取应急处理措施，可以防止损伤进一步发展和引发其它事故；对于长期在役的重要结构，如果能够定期对其累积损伤的程度做出正确评估，就可以充分掌握结构的工作状态，确保结构的安全。在此工程背景下，结构健康监测应运而生，并成为土木工程学科发展的一个重要领域。,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,大跨度空间结构主要形式,悬索结构,结构 定义,结

4、构应用,结构 特点,结构 形式,膜结构,薄壳结构,网壳 结构,网架结构,1.网架结构,由多根杆件按照某种规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构称之为网格结构，其中双层或多层平板形网格结构称为网架结构或网架。它通常是采用钢管或型钢材料制作而成。,1. 1网架结构的形式 (1)平面析架系组成的网架结构。主要有:两向正交正放网架、两向斜交斜放网架、两向正交斜放网架、三向网架等型式;(2 )四角锥体组成的网架结构。主要有:正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式;(3)三角锥组成的网架结构。主要有:三角锥网架、抽空三角锥网架(分I型和

5、型)、蜂窝形三角锥网架等型式;(4)六角锥体组成的网架结构。主要形式有:正六角锥网架。 1. 2网架结构的主要特点 空间工作，传力途径简捷;重量轻、刚度大、抗震性能好;施工安装简便;网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率;网架的平面布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和设备;网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。,2.网壳结构,曲面形网格结构称为网壳结构，有单层网壳和双层网壳之分。网壳的用材主要有钢网壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。,2. 1网壳结构的形式 主要有球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳等。 2. 2网壳结构主要特点 兼

6、有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理;结构的刚度大、跨越能力大;可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工厂预制;安装简便，不需大型机具设备，综合经济指标较好;造型丰富多彩，不论是建筑平面还是空间曲面外形，都可根据创作要求任意选取。,3.悬索结构,悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件，并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系。用于悬索结构的钢索大多采用由高强钢丝组成的平行钢丝束，钢绞线或钢缆绳等，也可采用圆钢、型钢、带钢或钢板等材料。,3. 1悬索结构形式 悬索结构按索的布置方向和层数分为:单向单层悬索结构;辐射式单层悬索结构;双向单层悬索结构;单向双层

7、预应力悬索结构;辐射式预应力悬索结构;双向双层预应力悬索结构;预应力索网结构等。 3. 2悬索结构的特点 悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯距和剪力效应，可充分利用钢材的强度;悬索结构形式多样，布置灵活，并能适应多种建筑平面;由于钢索的自重很小，屋盖结构较轻，安装不需要大型起重设备，但悬索结构的分析设计理论与常规结构相比，比较复杂，限制了它的广泛应用。,4.薄膜结构,薄膜结构也称为织物结构，是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。它以性能优良的柔软织物为材料，由膜内空气压力支承膜面，或利用柔性钢索或刚性支承结构使膜产生一定的预张力，从而形成具有

8、一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。,4. 1膜结构的主要形式 主要有空气支承膜结构;张拉式膜结构;骨架支承膜结构等形式。 4. 2膜结构主要特点 自重轻、跨度大;建筑造型自由丰富;施工方便;具有良好的经济性和较高的安全性;透光性和自结性好;耐久性较差。,5.薄壳结构,建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构(学术上把满足 tR120的壳体定义为薄壳)。,5. 1薄壳结构的形式 薄壳结构按曲面形成可分为旋转壳与移动壳;按建造材料分为钢筋混凝土薄壳、砖薄壳、钢薄壳和复合材料薄壳等。 5. 2薄壳结构的特点 壳体结构具有十分良好的承载性能，能以很小的厚度承受相当大的荷载。壳体结构的强度和刚度主要是利用了其

9、几何形状的合理性，以材料直接受压来代替弯曲内力，从而充分发挥材料的潜力。因此壳体结构是一种强度高、刚度大、材料省的即经济又合理的结构形式。 除以上几种空间结构外，尚有组合网架结构、预应力网格结构、管桁结构、张弦梁结构、点连接玻璃幕墙支承结构、索穹顶结构等几种常用空间结构，都有自身的特点和实用范围。比如点连接式玻璃幕墙支承结构能利用玻璃的透明特性追求建筑物内外空间的沟通和融合，人们可以透过玻璃清楚地看到支承玻璃面板的整个结构系统，使这种结构系统不仅起到支承作用，而且具有很强的结构表现功能;索穹顶结构则完全体现了美国建筑大师Fuller关于“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”的思想，是由连续的拉索和不

10、连续的压杆组成的一种受力合理、结构效率极高的结构体系。,结构健康监测介绍、用途及适用范围,三、结构健康监测系统组成,二、结构健康监测概念,五、大跨度结构的健康监测内容：,四、结构健康监测的应用,一、结构健康监测系统的研究背景,一、结构健康监测系统的研究背景,土木工程结构在长期使用过程中会因各种自然及人为因素的作用而不可避免地发生损伤。 近年来，自然灾害对重要结构的损伤和破坏屡见不鲜，引起人们的密切关注。目前我国土木工程事故频繁发生，如桥梁的突然折断、建筑骤然倒塌等，造成了重大的人员伤亡和财产损失，已经引起人们对于重大工程安全性的关心和重视。当大型结构发生突发性损伤时，如果能够及时做出判断和警报

11、，采取应急处理措施，可以防止损伤进一步发展和引发其它事故；对于长期在役的重要结构，如果能够定期对其累积损伤的程度做出正确评估，就可以充分掌握结构的工作状态，确保结构的安全。在此工程背景下，结构健康监测应运而生，并成为土木工程学科发展的一个重要领域。,二、结构健康监测概念,专业一点的解释：结构健康监测(Structure Health Monitoring，简称SHM)涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能

12、力继续实现设计功能。 通俗一点的解释：结构健康监测是通过对结构的物理力学性能进行无损监测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对结构的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为结构在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。 结构健康监测技术是一个多领域跨学科的综合性技术，它涉及土木工程、动力学、材料学、传感技术、测试技术、信号分析、计算机技术、网络通讯通信技术、模式识别等多个研究方向。 其基本思想是通过测量结构在超常荷载前后的响应来推断结构特性的变化，进而探测和评价结构的损伤；或者通过持续监测来发现结构的长期退化。

13、 有人将结构健康监测定义为“用最少的人力来实现对结构自动、连续的监测和观察。”结构健康监测可适用于所有种类的结构。 对于土木工程结构，SHM系统可监测结构在地震或者爆炸下的损伤，或者监测结构在周围环境以及人的活动下的长期损伤。这些信息可以为结构的安全评估提供重要参考，也可以用于结构的维护以及其剩余寿命的评估。,三、结构健康监测系统组成,结构健康监测系统主要由4个功能子系统组成并通过网络联系进行工作。这四个子系统是: （1）传感器系统:包括加速度计、风速风向仪、位移计、温度计、应变计、信号放大处理器及连接介面等，并将待测物理量转变为电信号； （2）信息采集与处理系统:包括信号采集器及相应的数据存

14、储设备等。安装于待测结构中，采集传感系统的数据并进行初步处理； （3）信息通信与传输系统:包括网络操作系统平台、安全监测局域网、与因特网的连接等。将采集并处理过的数据传输到监控中心； （4）信息分析和监控系统:包括高性能计算机及分析软件。利用具备损伤诊断功能的软硬件分析相应数据，判断损伤的发生、位置和程度，对结构健康状况做出状态评估，若发现异常，发出报警信息。,四、结构健康监测的应用,随着健康监测技术的发展，越来越多的桥梁和大型结构使用了健康监测系统，对桥梁的安全运行起到了重要作用。 香港青马大桥设立的监测系统称之为“风和结构健康监测系统”，包括加速度计、应变计、位移传感器、水平传感器、风速计

15、、温度传感器、车速车载感应系统等各类传感器计774个和数据采集及处理系统。监测项目包括作用于桥梁上的外部作用及桥梁的响应，具体可分为风、地震、温度、车辆载荷、结构位移、标高、应变、应力及结构动力特性等。 此外，还有： 苏通长江公路大桥结构健康监测系统 南京长江第三大桥结构健康监测系统 滨州黄河公路大桥结构健康监测系统 东营黄河公路大桥结构健康监测系统 这些经典工程实例。,五、大跨度结构的健康监测内容：,主要是：外部荷载作用和结构反应两个方面 外部荷载作用主要为地面运动加速度和风环境及结构表面风压等，结构反应主要为结构应力、位移、振动加速度、表面温度、表面裂缝开展等。 鉴于大跨度结构的特点，风环

16、境级结构表面风压是大跨度结构外部荷载作用监测的重点，而结构应力监测包含钢结构表面应力、索拉力、膜面应力等。结构健康监测系统包括传感器系统、数据采集与收集系统、结构实时分析与预警系统等。,謝謝您的聆聽,下面有请彭康佑同学为大家带来第三部分,目录 Contents,01 人员分工安排,02 大跨度空间结构 与健康监测介绍,03 大跨度空间结构 健康监测从设计 到数据分析的过 程与实例展示,04 现主流监测系统 介绍及发展过程 介绍与未来展望,03 大跨度空间结构 健康监测从设计 到数据分析的过 程与实例展示,一、大跨度空间结构健康监测概述 二、结构监测方案的设计和数据分析过程（以西宁海湖体育中心体育馆例来说明） 三、新的技术与研究：基于物联网与云计算技术的钢结构健康检测系统,大跨度空间结构健康监测从设计到数据分析的过程与实例展示,5、传感器元件简介,4、结构健康监测系统的构成,1、结构的监测方式,2、监测的结构参数,3、常规监测传感器和手段,5,4,3,2,1,一、大跨度空间结构健康监测概述,1、结构的监测方式